一種7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、腦卒中是一種突發(fā)腦血液循環(huán)障礙性疾病，患病患者中約85％具有偏癱癥狀，行之有效的方法是臨床治療后立即轉(zhuǎn)為康復(fù)訓(xùn)練，然而，由康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行一對(duì)一重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練效率低、成本高、工作枯燥，而且很難保證康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、力學(xué)性能的精度要求。本文在機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2013-O008)“基于柔彈性關(guān)節(jié)的七自由度外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究”的基金資助下，設(shè)計(jì)出一種基于串聯(lián)的新型7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)

2、器人來完成此項(xiàng)工作。研究內(nèi)容主要包括:
　　第一，根據(jù)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的相關(guān)要求對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)人體上肢結(jié)構(gòu)作了簡要分析，參考康復(fù)理療師常見康復(fù)動(dòng)作，確定對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練所需要的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù);設(shè)計(jì)出一種能夠滿足上肢康復(fù)訓(xùn)練需求的新型7-DOF外骨骼式串聯(lián)康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，完成了該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的型綜合分析、驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)及傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)。
　　第二，對(duì)7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。利用D-H

3、矩陣建模法建立7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，完成了該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)（位置正、反解）求解分析;并運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的正確性以及整體設(shè)計(jì)方案的可行性。
　　第三，完成了7-DOF外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真分析。根據(jù)主要的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，選取若干主要關(guān)節(jié)，對(duì)7-DOF外骨骼康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行模型簡化，運(yùn)用拉格朗日方程法對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析;利用ADAMS軟件對(duì)康復(fù)機(jī)器人在勻加速、勻

4、速啟動(dòng)兩種工況下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到各關(guān)節(jié)不同工況下的驅(qū)動(dòng)力矩值，為康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器的再次篩選提供參考依據(jù)。
　　第四，設(shè)計(jì)了一種新型柔彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和一種新型減重支撐裝置。為使機(jī)器人具有一定柔性緩沖性能，避免患者二次傷害，同時(shí)，減少剛性沖擊對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)出一種新型柔彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié);患者利用機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的前期階段，上肢無法承擔(dān)自量及機(jī)械臂重，因而，設(shè)計(jì)了一種新型減重支撐裝置;對(duì)以上兩種裝置分別

5、進(jìn)行相關(guān)的理論及仿真分析，初步驗(yàn)證了兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的可行性。
　　第五，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析及整機(jī)的靜態(tài)誤差分析。利用ANSYS軟件對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)的有限元分析，探究各零部件的剛度及強(qiáng)度要求;在此基礎(chǔ)上，對(duì)整機(jī)進(jìn)行靜態(tài)誤差分析，求得對(duì)康復(fù)機(jī)器人影響較大的誤差因素，為后期的整機(jī)加工提供參考依據(jù)。
　　最后，加工出柔彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)及減重支撐裝置的原理樣機(jī)，并分別進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)探究。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算及仿真分析保持一致，進(jìn)